RF記録・再生システム:実世界の信号解析とエミュレーションを可能にする
概要
RF記録/再生システムは、複雑な実世界の無線周波数環境をキャプチャ、解析、エミュレートするための不可欠なツールです。エンジニアは野外レンジ、レーダーテストチャンバー、運用ミッションなどのライブシナリオから直接RF信号を記録し、解析/検証やシステム開発のために後で再生してシステムの挙動を詳細に把握できます。これらの機能は、システムが高密度かつ動的な信号環境を識別、分類、応答する必要がある電磁スペクトル操作 (EMSO) にとって極めて重要です。レーダー検証、EWシステム特性評価、信号情報 (SIGINT)、GNSS耐性試験はすべて正確な信号再現に依存しています。記録/再生システムによりエンジニアは現場信号を再現可能なラボテスト用に捕捉し、ミッションシナリオを再現してアルゴリズム性能評価を行い、システムの送受信波形を相関させ、チャンネルモデリングやエミッタ分類などのオフライン分析を実施できます。
RF記録/再生システムを適切に構築するために必要な基盤技術は、キャプチャ、保存、再生という概念的にはシンプルながらも複雑です。広帯域、高忠実度、多チャネル規模でこれを実現するには、大きな技術的課題を伴います。これらのシステムは、実シグナル環境が複雑で予測困難、追加のオフライン処理を要する、またはラボ環境での再現が困難な状況で非常に有用です。このホワイトペーパーでは、RF記録/再生 (RPS) システムのアーキテクチャを簡単に紹介し、その設計に伴う課題や検討事項について考察します。
内容
システムアーキテクチャ
基本的な記録/再生システムは、受信機またはレコーダー、データストレージ、送信機の3つの部分に分けて考えるとわかりやすいです。
図1.基本的な記録・再生システム
受信機は目的のRF信号をキャプチャします。RF記録用途の興味信号は、パルス信号と連続信号の両方を含み、GPS/GNSSのような友好的または中立的な信号から、妨害やスプーフィングに使用される脅威信号まで幅広く存在します。信号がキャプチャおよび記録されると、エンジニアはラボに戻り、さらなるオフライン解析を行うことが可能です。信頼性の高い記録信号の詳細な解析は、信号情報 (SIGINT) やチャンネルモデリング/チャンネルサウンディングなどの用途で重要です。ワイヤレス通信では、チャンネルサウンディングを実施し、正確なチャンネルモデルを作成することが不可欠です。6Gの新たなスペクトル要件と非地上系ネットワーク (NTN) の拡大により、より商用向けユースケースシステムにおいて新しいチャンネルモデルの必要性が高まっています。加えて、航空宇宙および防衛組織では、ミッションクリティカルなテストおよび軍事プラットフォームの近代化が求められています。
信号記録後にオフライン処理だけでなくRF再生が必要となる場合は、送信機を使用して再生します。RF再生は以下の一般的な用途で有用です。
- 検査対象デバイスの刺激
- 製品開発中の信号源
- チャンネルエミュレーション
受信機と送信機の設計検討項目には、帯域幅とデータスループット、システムの大きさとコスト、位相コヒーレンスと同期、拡張性と柔軟性が含まれます。
現在市場に出ている多くのシステムは即時帯域幅が1 GHz以下に制限されており、多くは単一チャンネルのみ対応です。この制約は、最新のシステムにおいて環境を完全にキャプチャすることを妨げています。1 GHzのI/Qデータをフル解像度で記録する場合、信号帯域幅のほぼ5倍の持続的な書き込み速度 (MB/s) が必要です。複数チャンネルにわたりこれらの速度で損失なくスループットを維持することは、従来のストレージおよびストリーミング構造の能力を超えてしまいます。
適切なRF送受信機の選択は重要ですが、RF記録/再生システムでのデータストレージの選択および構成が最も難しい部分です。信号をキャプチャし、ディスク書き込み速度や受信機のADCからハードドライブへのデータ転送能力が不十分でビット損失しないように、データは十分に高速に書き込まれる必要があります。小帯域信号ではこれらの課題は一般的ではありませんが、RF信号では記録すべきデータ量が膨大になります。以下の式は、信号をディスクに書き込むために必要なデータレート (ビット/秒) の計算方法を示しています。
データレート [bits/sec] = サンプリングレート [Sample/s] * ADCビット数 [bits/Sample]
しかし、RF用途では通常、NI-RFSAの取得機能はADCのビット数に関係なくI/Qデータを16ビットとして取得します。RF信号の場合、I/Qデータは別々に扱われ、以下のレートになります。
- 1サンプルあたり16ビットのIデータ＝2バイト
- 1サンプルあたり16ビットのQデータ＝2バイト
- 合計すると:I/Qサンプルあたり4バイト
これらの計算に基づき、合計データレートの式は以下のようになります。
データレート [バイト/秒] = IQレート [サンプル/秒] * 4 [バイト/サンプル]
つまり、100 MS/sのIQレートは400 MB/sのデータレートになるということです。
場合によってはRF帯域幅情報のみを持つこともあります。IQレートと帯域幅の関係は以下の通りです。
帯域幅 = IQレート * 0.8
つまり、
IQレート = 1.25 * 帯域幅
したがって、合計データスループットは次のように表せます。
データレート = 1.25 * 帯域幅 * 4
したがって、
データレート = 5 * 帯域幅
この計算から、帯域幅が100 MHzであれば、データレートは500 MB/sとなります。長時間の記録や大帯域幅信号の記録が必要な場合、データ要件は急速に増加します。
ソリッドステートドライブ (SSD) は高速なデータ書き込みに適しており、広帯域信号の記録に必須となることがあります。RAIDは、広帯域信号や長時間記録により大量のデータを保存する優れた選択肢です。最終的な選択肢として、ディスクへの書き込み前にデータを前処理し、保存すべきデータ量を削減する方法も検討できます。たとえば、未加工のデータを保存する代わりにFFTを実行して周波数領域のデータを保存する場合があります。FPGAはこの処理段階に必要な高速処理能力を提供します。この手法はすべての用途に適用できるわけではありませんが、一部の用途には有効な解決法となります。
NIの記録/再生ソリューション
NI RF記録/再生 (RPS) システムは、航空宇宙や防衛のテスト環境のような厳しい条件に特化したモジュール式構成、ソフトウェア定義、位相コヒーレントアーキテクチャにより、一般的な課題に対処します。PXIプラットフォーム上に構築されたNI RPSは、計測器グレードのRFトランシーバに高速データ移動、同期タイミング、高度なシステム補正ソフトウェアを組み合わせています。
NI RPSは最大4 GHzの即時帯域幅と、最大40 GB/sのレートでの多チャネルストリーミングをサポートします。エンジニアはデータ損失なく複数チャンネルで未加工のI/Qデータを録音/再生でき、長時間のキャプチャにも対応します。最大300 TBのシステムストレージを構成可能で、数時間にわたるフルレート記録が可能です。
レーダー、EW、および方向探知の用途では、チャンネル間のコヒーレンスが重要です。RPSはLO、リファレンスクロック、トリガをシステム全体で共有し、全トランシーバチャンネルを同期させます。
まとめ
RF記録/再生システムは、実世界のRF環境とラボテストのギャップを埋める強力なツールです。スペクトル環境がますます密になり動的になる中で、実世界のRFシナリオを正確にキャプチャし再現する能力は、特にミッションクリティカルな分野において不可欠な要素となります。これらの複雑なシステムは正確な解析、堅牢な製品開発、信頼性の高い性能検証を実現する上で中核的な役割を果たします。エンジニアはこの高度な技術を活用して検証を加速し、再現性を向上させ、すべての領域でスペクトルの優位性を確保できます。